CN204229282U - 一种电源系统 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及使用动态基准电压生成的快速负载瞬态响应电源系统。一种电源系统，包括：电源电路、基准电压电路、动态基准生成电路和负载；所述电源电路提供有输入电压和输出电压，所述输出电压耦合到所述负载；所述基准电压电路被耦合到所述动态基准生成电路以提供基准电压；以及所述动态基准生成电路从所述电源电路接收所述输出电压并且从所述基准电压电路接收所述基准电压以提供动态基准电压，其中，所述动态基准电压被耦合到所述电源电路作为针对所述电源电路的所述输入电压。

Description

一种电源系统
技术领域
本申请涉及电源系统控制，并且更具体地讲，涉及包括便于更精确的输出电压控制的附加控制回路的系统。 
背景技术
精确控制电源的电压输出并不仅仅需要提供能够基于电源的构造产生所需输出电压的输入电压。例如，应控制电源电路，以产生具有由快速瞬态负载变化所引起的最小下冲或过冲的所需输出电压。输出电压下冲或过冲可由(例如)电源电路中元件部分的特性所导致的响应延迟引起。例如，电阻器、电感器、电容器和具有电阻性、电感性或电容性的其他元件由于它们的电压/电流存储特性而要花费一些有限的时间达到稳定状态。如果不消除这种行为，当电源达到稳定状态时元件会充电不足/充电过量，从而导致电源输出电压显著偏离目标值。不精确或偏离电源输出电压中的目标值会导致电源正在驱动的负载发生故障或甚至可能损坏，特别是当负载包括敏感电路(如，微处理器)时。 
可以通过使用一个或多个反馈回路来实现电源输出电压的更高精度。例如，电源的输出电压可(如，通过反馈网络)被反馈至控制电路，以便更精确地控制电源输出电压。观测器电路也可用作次级反馈回路，以便(如，为可包括微处理器之类的敏感电路的负载)提供快速瞬态响应。为了实现快速瞬态响应，观测器电路可以对电源输出电压的变化非常敏感，这使得观察器电路不适合某些功率控制方案。例如，观测器电路可能不适合与根据负载所需的DVS控制方案有目的地改变电源输出电压的动态电压调节(DVS)一起使用。观测器电路将试图阻止所需的电压变化，因此，将大大降低电源输出电压的变化速率。与输出电压不精确类似，电源输出电压变化的响应速度慢会不利地影响正在驱动的 负载(特别是敏感负载)的性能。 
实用新型内容
总体上，本申请描述了一种电源系统，包括：电源电路、基准电压电路、动态基准生成电路和负载；所述电源电路提供有输入电压和输出电压，所述输出电压耦合到所述负载；所述基准电压电路被耦合到所述动态基准生成电路以提供基准电压；以及所述动态基准生成电路从所述电源电路接收所述输出电压并且从所述基准电压电路接收所述基准电压以提供动态基准电压，其中，所述动态基准电压被耦合到所述电源电路作为针对所述电源电路的所述输入电压。 
附图说明
随下面的详细描述的进行并参考附图，要求保护的主题的多个实施例的特征和优点将会变得显而易见，其中附图中类似的数字表示类似的部件，并且其中： 
图1示出了根据本申请的至少一个实施例的使用动态基准生成的示例性快速负载瞬态响应电源系统； 
图2示出了根据本申请的至少一个实施例的基准比较电路的示例性配置； 
图3示出了根据本申请的至少一个实施例的基准比较电路的可选配置； 
图4示出了根据本申请的至少一个实施例的使用动态基准生成的示例性快速负载瞬态响应电源系统的可选配置； 
图5示出了根据本申请的至少一个实施例的使用动态基准生成的示例性快速负载瞬态响应电源系统的第二种可选配置； 
图6示出了根据本申请的至少一个实施例的示例性输出电压响应图；以及 
图7示出了根据本申请的至少一个实施例的使用动态基准生成的快速负载瞬态响应电源系统的示例性操作的流程图。 
虽然下面的具体实施方式将参照示例性实施例进行，但是所述实施例的多 个替代形式、修改形式和变型对于本领域的技术人员而言将显而易见。 
具体实施方式
在一个实施例中，动态基准生成电路可至少包括基准比较电路，所述基准比较电路至少包括被配置为基于输出电压和基准电压生成基准比较电压的放大器。例如，当输出电压小于基准电压时，基准比较电路可被配置为基于输出电压与基准电压之间的差值生成正基准比较电压。相反地，当输出电压大于基准电压时，基准比较电路可被配置为基于输出电压与基准电压之间的差值生成负基准比较电压。在另一种示例性配置中，动态基准生成电路可包括连接于基准比较电路中的放大器的输入的电阻-电容(RC)网络，该RC网络被配置为将输出电压交流(AC)连接至放大器输入并将基准电压直流(DC)连接至放大器输入。动态基准生成电路还可包括求和电路，其被配置为通过将基准比较电压与基准电压相加而生成至电源电路输入的动态基准电压。 
在相同或不同的实施例中，电源电路可至少包括误差比较器或误差放大器电路、控制逻辑电路、反馈网络电路和功率级电路。误差比较器或误差放大器电路可被配置为基于动态基准电压和反馈网络电路提供的反馈电压生成供控制逻辑电路使用的逻辑输入。例如，误差放大器电路可被配置为在动态基准电压大于反馈电压时生成高逻辑输入，在动态基准电压小于反馈电压时生成低逻辑输入。在一个实施例中，电源电路可以包括连接于被配置为生成输出电压的电感器的功率级电路，该功率级电路被配置为在接收高逻辑输入(如，用于提高输出电压)时使功率级电路接合电源，从而为电感器充电，而接收低逻辑输入会使功率级电路脱开电源，不再为电感器充电(如，用于降低输出电压)。此外，反馈电压电路可被配置为基于提供给电感器的电压和输出电压生成反馈电压。符合本申请的至少一个实施例的示例性方法可包括：接收基准电压和从电源电路输出的电压，基于所述基准电压和所述输出电压生成基准比较电压，基于基准比较电压和基准电压生成动态基准电压，作为输入将动态基准电压提供至电 源电路，以及基于所述动态基准电压在电源电路中生成输出电压。 
图1示出了根据本申请的至少一个实施例的可用的示例性系统100。系统100可以包括基准电压电路102、动态基准生成电路104、电源电路106和负载118。基准电压电路102可包括被配置为输出用于控制电源电路106的输出电压的基准电压的硬件和/或软件。虽然图1中未示出，但基准电压电路102的示例性实施可包括控制器(如，微控制器)和装入控制器内或连接至控制器的数字-模拟转换器(DAC)。控制器可被配置为向DAC提供各种数字代码，每个数字代码代表与电源电路106的设定值(SP)相对应的模拟电压水平。例如，可以作为DVS之类的控制方案的一部分用控制器递增地提高SP。DAC可被配置为基于数字代码生成模拟电压。 
动态基准生成电路104可包括(例如)基准比较电路120和求和节点122。基准比较电路120可被配置为从基准电压电路102接收基准电压和从电源电路106接收输出电压(V输出)，并生成用于求和电路122的基准比较电压(V基准比较)。现有的观测器反馈技术采用恒定输入电压，这导致观测器抵抗输出电压的变化。在现有的系统中，必须采取措施以便在某些时间(如，当基准电压改变时)断开观测器反馈。除了增加复杂性，在错误的时间重新接合观测器反馈会导致系统故障。例如，过快地重新接合观测器反馈会使电源输出电压的响应严重滞后(如，延迟)，而在输出电压达到所需的水平后重新接合观测器反馈会导致大负载瞬变(如，它会使输出电压在负载电流突然增大时不期望地降低)。这些状况会损害敏感负载(如，微处理器)的性能，或甚至引起故障。将基准电压用作输入可实现的至少一个益处是当有目的地改变基准电压(V基准)时动态基准生成电路104变得较少抵抗输出电压的变化，从而使系统100与DVS之类的控制方案一起使用时更为敏感。因此，动态基准生成电路104可以始终有效。求和电路122可包括被配置为将基准比较电压与基准电压相加并提供这些电压之和(即作为电源电路106输入的动态基准电压(V动态基准))的元件部分。 
电源电路106可包括(例如)误差比较器或误差放大器电路(如，误差比 较器/放大器108)、反馈网络电路110和DC/DC转换器电路112。在一个实施例中，误差比较器或误差放大器电路108可被配置为从动态基准生成电路104接收动态基准电压并通过反馈网络110接收反馈电压(V反馈)，并向DC/DC转换器电路112提供逻辑输入。DC/DC转换器电路112可以基于现有的转换器拓扑结构，例如，降压型、升压型、升降压型、单端初级电感转换器(SEPIC)、反激型、功率因数校正(PFC)反激型、半桥、全桥、等。上述示例性DC/DC转换器拓扑结构可包括功能元件，如控制逻辑电路114、功率级电路116、电感器L和输出电容器C输出。例如，控制逻辑电路114可被配置为基于从误差比较器或误差放大器电路108接收到的逻辑输入使功率级电路116接合或断开电源(如，V输入)，所述电源被配置为向电感器L提供电压。来自电感器L的电流可以为输出电容器C输出充电，以生成电源输出电压。除了驱动负载118，还可为动态基准生成电路104和反馈网络电路110提供该电源输出电压(如，C输出上的电压)，以用于控制目的。 
图2示出了根据本申请的至少一个实施例的系统100’中的基准比较电路120’的示例性配置。基准比较电路120’可以包括(例如)跨导级或放大器200(跨导/放大器200)，其被配置为基于基准电压和输出电压来输出基准比较电流或电压。例如，跨导/放大器200可被配置为在基准电压大于输出电压时基于基准电压与输出电压之间的差值输出正电压，并可在基准电压小于输出电压时基于基准电压与输出电压之间的差值输出负电压。因此，当输出电压小于基准电压时，可通过求和电路122将基准比较电压与基准电压相加，而当输出电压大于基准电压时，可通过求和电路122将基准比较电压从基准电压中减去(如，因为基准比较电压为负值)。 
可向误差比较器或误差放大器电路108提供从求和电路122输出的动态基准电压(如，输入到电源电路106的输入电压)，误差比较器或误差放大器电路108可将该输入电压与从反馈网络110接收到的反馈电压进行比较。虽然图2中未示出，反馈网络电路110可包括(例如)电阻器/电容器元件和网络。例如， 误差比较器或误差放大器电路108可被配置为在输入电压大于反馈电压时输出高逻辑值(如，与逻辑“1”相关的电压)并在输入电压小于反馈电压时输出低逻辑值(如，与逻辑“0”相关的电压)。在一个实施例中，误差比较器或误差放大器电路108还可以通过反馈回控制逻辑电路114的输出的环路获知控制逻辑电路114的当前状态，以改进操作，例如，通过在误差比较器或误差放大器电路108中引入一些滞后。控制逻辑电路114可包括控制器，其被配置为在当接收到高逻辑输入时使功率级电路116接合V输入，以向电感器L提供电压，并在接收到低逻辑输入时断开V输入，不再向电感器L提供电压。电感器L生成的电流可给电容器C输出充电，所述电容器可配置为向负载118、向反馈网络电路110以及向基准比较电路120’提供输出电压。 
图3示出了根据本申请的至少一个实施例的动态基准生成电路120(如，系统100”中的动态基准生成电路120”)的可选配置。在图3中，向跨导/放大器200的第二输入不仅仅是从电源电路106的输出反馈回来的电压，而是由包括电阻器Rg和电容器Cg的RC网络生成。RC网络可被配置为基于基准电压与输出电压之间的差值向跨导/放大器200提供电压。虽然只是将输出电压反馈至跨导/放大器200(如，如图2所示)可以更简单、节约空间并改善负载调节，但采用如基准比较电路120”中所示的配置在某些情况下可以是有利的，在这些情况下，输出电压和基准电压不必一定要彼此接近，因为输出电压只是交流连接至跨导/放大器200的负输入上。此外，电阻器Rg和电容器Cg可提供更大的灵活性，以改变反馈回路特性，从而获得所需的性能。 
图4和5示出了符合本申请的使用动态基准生成的示例性快速负载瞬态响应电源系统(如，系统100”’和100””)的可选配置。系统100”’和100””分别包括从功率级电路116与电感器L之间的连接处至反馈网络110的附加反馈400和500。附加反馈400和500可用于(例如)感测通过电感器的电流并将感测到的电感器电流用作反馈回路的一部分，以提高功率转换性能。 
图6示出了根据至少一个实施例的示例性输出电压响应的图。在600处示 出了其电流在1安培与5安培之间变化的的负载的电流(安培)/时间的第一图。在602处示出了使用现有的观测器电路技术(如，灰线)的系统和根据本申请的至少一个实施例的使用动态基准生成的示例性输出电压(如，黑线)对应的输出电压(伏特)/时间图。开始时，在现有的系统和符合本申请的系统中，明显的是负载电流的急剧提高(如，发生在时间500μs处)均不会导致对应时间处的输出电压显著下降(如，输出电压保持大致恒定)。另外，在现有的系统和符合本申请的系统中，当负载电流急剧降低(如，发生在时间550μs处)时，不会导致对应时间处的输出电压过冲太多(如，输出电压保持大致恒定)。该行为可归因于两个系统中次级反馈回路提供的快速负载瞬态响应。 
然而，在输出电压由于(例如)基准电压改变(如，在DVS方案中)而改变(如，发生在570μs与580μs之间)的情况中可以看到差异。符合本申请的系统提供比现有系统的响应更快速的响应(如，在图6中示为“改进的响应”)。根据多个实施例，由于将基准电压用作对观测器电路、基准比较电路和动态基准生成电路的输入以生成动态基准电压，这导致与现有的观测器电路技术相比，不会抵抗输出电压变化或抵抗力显著减小，从而实现改进的响应。 
图7示出了根据本申请的至少一个实施例的使用动态基准生成的快速负载瞬态响应电源系统的示例性操作的流程图。在操作700中，可以接收基准电压(V基准)和输出电压(V输出)(如，在动态基准生成电路中)。然后可在操作702中确定V输出是否大于V基准。如果在操作702中确定V输出大于V基准，那么在操作704中，可以基于V基准和V输出(如，V基准与V输出之间的差值)生成负基准比较电压(V基准比较)并提供给求和电路。或者，如果在操作702中确定V基准大于V输出，那么在操作706中，可基于V基准和V输出生成正V基准比较并提供给求和电路。 
无论是执行操作704还是706，均可以接着进行操作708，其中通过将V观测器与V基准相加生成动态基准生成电压(V动态基准)。然后可将在操作708中生成的V动态基准提供给误差比较器或误差放大器电路。在操作710中，可以确定V动态基准是否大于从(例如)反馈网络接收到的反馈电压(V反馈)。如果在操作710中确定V动态基准大于V反馈，那么在操作712中，可将高逻辑值提供给控制逻辑电路。另一方面，如果在操作710中确定V动态基准小于V反馈，那么在操作714中，可将低逻辑值提供给控制逻辑电路。在操作716中，可以基于逻辑输入接合或断开电源(如，通过功率级电路)。例如，当接收到高逻辑值将电压提供给电感器用于给电源电路中的电容器充电时，可以接合电源，或相反地，接收低逻辑值可以导致断开电源。在一个实施例中，操作716之后可以返回操作700，以重新开始该流程。 
虽然图7示出了根据一个实施例的各种操作，但应当理解，对于其他实施例而言，并非图7中所示的所有操作都是必需的。实际上，本文充分考虑到：在本申请的其他实施例中，图7中所示的操作和/或本文中所述的其他操作可按照未在任何附图中具体示出但仍然完全符合本申请的方式组合。因此，认为涉及未明确在一幅附图中示出的特征和/或操作的权利要求落入本申请的范围和内容内。 
如文中任一实施例中所用，“电路”可以单独地或以任何组合形式包括(例如)单个组元件、硬连线电路、可编程电路(如包括一个或多个单独的指令处理核的计算机处理器)、状态机电路和/或存储由可编程电路执行的指令的固件。电路可(集合地或单独地)体现为形成较大系统的一部分的电路，例如，集成电路(IC)、系统芯片(SoC)、台式计算机、膝上型计算机、平板电脑、服务器、智能手机等。 
本文所述的任何操作都可以在包括一个或多个机器可读存储介质的系统中实施，其中存储介质上单独或组合地存储了指令，当被一个或多个处理器执行时，这些指令实施所述方法。这里，处理器可以包括例如服务器CPU、移动设备CPU和/或其他可编程电路。另外，预期可将本文所述的操作分配到多个物理设备上，如，在不止一个不同的物理位置处的处理结构。存储介质可以包括任何类型的有形介质，例如，任何类型的磁盘，包括硬盘、软盘、光盘、致密 盘只读存储器(CD-ROM)、致密盘可重写光盘(CD-RW)和磁光盘、半导体设备，如只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)，如动态和静态RAM、可擦可编程只读存储器(EPROM)、电可擦可编程只读存储器(EEPROM)、闪存、固态硬盘(SSD)、嵌入式多媒体卡(eMMC)、安全数字输入/输出(SDIO)卡、磁卡或光卡，或任何类型的适于存储电子指令的介质。可以由可编程控制设备执行的软件模块来实施其他实施例。 
因此，本申请涉及使用动态基准电压生成的快速负载瞬态响应电源系统。系统可至少包括(例如)电源电路、电压基准电路和动态基准生成电路。电源电路可被配置为基于电源输入电压生成输出电压(如，用于驱动负载)。电压基准电路可被配置为生成用于控制输出电压的生成的基准电压。动态基准生成电路可被配置为基于基准电压和输出电压生成作为电源电路的输入电压的动态基准电压。 
以下例子属于进一步的实施例。在一个示例性实施例中，提供了一种设备。该设备可以包括电源电路，其被配置为生成用于驱动负载的输出电压，所述输出电压基于输入电压生成；电压基准电路，其被配置为提供基准电压；以及动态基准生成电路，其被配置为基于输出电压和基准电压生成用作电源电路的输入电压的动态基准电压。 
在另一个示例性实施例中，提供了一种方法，该方法可包括从电源电路接收基准电压和输出电压，基于所述基准电压和输出电压生成基准比较电压，基于所述基准比较电压和基准电压生成动态基准电压，作为输入提供所述动态基准电压至所述电源电路，以及基于所述动态基准电压在所述电源电路中生成输出电压。 
在另一个示例性实施例中，提供了一种系统，该系统至少包括一个机器可读存储介质。所述机器可读介质上可单独或组合地存储指令，当一个或多个处理器执行所述指令时，导致以下操作，所述操作包括：从电源电路接收基准电压和输出电压，基于所述基准电压和输出电压生成基准比较电压，基于所述基 准比较电压和基准电压生成动态基准电压，作为输入将所述动态基准电压提供至所述电源电路，以及基于所述动态基准电压在电源电路中生成输出电压。 
本文中采用的术语和表达方式作为描述而非限制的术语使用，并且在使用这种术语和表达方式的过程中，不旨在排除示出和描述的特征(或其一部分)的任何等同物，并且认识到，各种修改形式可落入权利要求书的范围内。因此，权利要求书旨在涵盖所有这种等同物。 

Claims (7)

1.一种电源系统，包括：电源电路、基准电压电路、动态基准生成电路和负载； 
所述电源电路提供有输入电压和输出电压，所述输出电压耦合到所述负载； 
所述基准电压电路被耦合到所述动态基准生成电路以提供基准电压；以及 
所述动态基准生成电路从所述电源电路接收所述输出电压并且从所述基准电压电路接收所述基准电压以提供动态基准电压，其中，所述动态基准电压被耦合到所述电源电路作为针对所述电源电路的所述输入电压。 
2.根据权利要求1所述的电源系统，其中所述动态基准生成电路包括基准比较电路，所述基准比较电路至少包括放大器，并且所述放大器从所述电源电路接收所述输出电压并且从所述基准电压电路接收所述基准电压以提供基准比较电压。 
3.根据权利要求2所述的电源系统，其中所述动态基准生成电路还包括连接于所述基准比较电路中的所述放大器的输入端的电阻-电容网络，所述电阻-电容网络被配置为将所述输出电压交流连接到所述放大器输入端并将所述基准电压直流连接到所述放大器输入端。 
4.根据权利要求2所述的电源系统，其中所述动态基准生成电路还包括求和电路，所述求和电路从所述基准比较电路接收所述基准比较电压并且从所述基准电压电路接收所述基准电压，并将它们进行相加以产生所述动态基准电压，所述动态基准电压作为针对所述电源电路的所述输入电压。 
5.根据权利要求4所述的电源系统，其中所述电源电路还包括误差放大器电路、控制逻辑电路和反馈网络电路，所述误差放大器电路的第一输入端耦合至所述动态基准电压，所述误差放大器电路的第二输入端耦合至所述反馈网络电路所提供的反馈电压，以产生逻辑输入，并且所述逻辑输入被耦合至所述控制逻辑电路的输入端。 
6.根据权利要求5所述的电源系统，其中所述电源电路还包括功率级电路 和电感器，所述功率级电路被耦合在所述控制逻辑电路的输出端和所述电感器的一端之间，并且所述电感器的另一端被耦合至所述电源电路的所述输出电压。 
7.根据权利要求6所述的电源系统，其中所述反馈网络电路被耦合在所述电源电路的所述输出电压和所述误差放大器电路的第二输入端之间。 
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